Globalement, l'énergie est conservée
Même s'il est difficile de définir l'énergie, on peut la stocker, la transmettre ou encore observer ses transformations. On remarque alors que l'énergie d'un système isolé est conservée. Si le système n'est pas isolé, il existe un système plus globale pour lequel elle est conservée. Par exemple, ma tasse de thé s'est refroidie. La tasse de thé n'est pas un système isolé mais si je considère que la chaleur de ma tasse a légèrement chauffé l'air dans la pièce, l'énergie de la pièce n'a pas changé et la pièce est un système isolé. Ce principe de base peut prendre beaucoup de formes algébriques différentes selon les contextes. Voici déjà différentes sortes d'énergie et leur expression associée.
Energie mécanique
Un objet en mouvement a de l'énergie cinétique exprimée par
\[E_{cinétique} = \frac{1}{2} m \cdot v^2\]
avec
\(E_{cinétique}\) l'énergie cinétique \([J]\)
\(m\) la masse de l'objet en mouvement \([kg]\)
\(v\) la vitesse de l'objet \([m \cdot s^{-1}]\)
Un objet changeant d'altitude a une variation d'énergie potentielle de pesanteur donnée par
\[ E_{potentielle \, de \, pesanteur} = m \cdot g \cdot \Delta h\]
avec
\(E_{potentielle \, de \, pesanteur}\) l'énergie potentielle de pesanteur \([J]\)
\(m\) la masse de l'objet \([kg]\)
\(g\) la gravité de l'astre \([N \cdot kg^{-1}]\)
\(\Delta h = h_2-h_1\) la variation d'altitude que subit l'objet \([m]\)
Lorsqu'un ressort n'est pas au repos, l'énergie potentielle élastique est donnée par
\[ E_{potentielle \, élastique} = \frac{1}{2} k \cdot \Delta l^2\]
avec
\(E_{potentielle \, élastique}\) l'énergie potentielle élastique du ressort \([J]\)
\(k\) la raideur du ressort \([N \cdot m^{-1}]\)
\(\Delta l \) la variation de longueur du ressort par rapport à sa position au repos \([m]\)
Voici un exemple d'énergie dans un ressort
Energie chimique
Lors d'une combustion, l'énergie contenue dans les liaisons chimique est libérée. Son expression est donnée par
\[E_{combustion} = m \cdot H\]
avec
\(E_{combustion}\) l'énergie libérée par la combustion \([J]\)
\(m\) la masse de combustible consommée \([kg]\)
\(H\) le pouvoir énergétique du combustible \([J \cdot kg^{-1}]\)
Energie thermique
Par définition, la température est la mesure de l'agitation des particules d'un corps. Lié à cette agitation, on a de l'énergie.
Lors d'un changement de température, l'énergie thermique correspondante est donnée par
\[ E_{thermique} = m \cdot c \cdot \Delta T \]
avec
\(E_{thermique}\) l'énergie thermique \([J]\)
\(m\) la masse changeant de température \([kg]\)
\(c\) la chaleur massique de la matière \([J \cdot kg^{-1} \cdot °C^{-1})]\) ou \([J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1})]\)
\(\Delta T = T_2-T_1\) la différence de température \([°C]\) ou \([K]\)
Lors d'un changement d'état, la température est constante est l'énergie correspondante est donnée par
\[ E_{thermique} = m \cdot L \]
avec
\(E_{thermique}\) l'énergie thermique \([J]\)
\(m\) la masse subissant le changement d'état \([kg]\)
\(L\) la chaleur latente de fusion ou de vaporisation \([J \cdot kg^{-1}]\)
Comment l'énergie thermique se transmet?
On a beaucoup parlé de transfert de chaleur, mais un peu moins de la manière dont cette énergie est transférée.
Les trois modes de transfert de la chaleur sont
- la conduction
- la convection
- le rayonnement
Conduction
Convection
Rayonnement
Tout corps émet un rayonnement électromagnétique dépendant de sa température. Par exemple, le Soleil nous transmet de la chaleur par son rayonnement, sa lumière. Un objet plus froid aura plutôt tendance à émettre dans le rayonnement infrarouge, non visible à l'oeil nu, mais que l'on peut mettre en évidence grâce à une caméra thermique par exemple. On voit sur la photo suivante qu'il y a beaucoup plus de pertes de chaleur sur la partie de la maison la plus ancienne ainsi que par les fenêtres. D'où l'importance de bien isoler!
Source :inmopartner
Rendement et puissance
Pour n'importe quelle machine transformant de l'énergie, on peut définir le rendement par le rapport
\[ \eta = \frac {E_{utile}}{E_{consommée}}\]
avec
\(\eta\) le rendement de la machine
\(E_{utile}\) l'énergie que l'on peut réellement utiliser avec cette machine \([J]\)
\(E_{consommée}\) l'énergie que la machine a consommée pour fonctionner \([J]\)
Dès que de l'énergie est transformée, on peut définir la puissance, correspondant au débit d'énergie, par le rapport suivant et ceci pour toutes les sortes d'énergies vues précédemment
\[P = \frac {E}{t}\]
avec
\(P\) la puissance associée à une transformation d'énergie \([W] = [J \cdot s^{-1}]\)
\(E\) l'énergie \([J]\)
\(t\) le temps correspondant à la transformation d'énergie \([s]\)
Travail d'une force
Par définition, le travail d'une force est le produit de la partie de la force le long du déplacement par la distance de déplacement.
\[ W = F_{//} \cdot d = F \cdot \cos \alpha \cdot d\]
avec
\(W\) le travail (work) \([J]\)
\(F_{//}\) la partie de la force qui est le long du déplacement \([N]\)
\(d\) la distance parcourue par le point d'application de la force \([m]\)
\(F\) la force \([N]\)
\(\alpha\) l'angle entre la force et le déplacement \([°]\)
Cas particulier : la force de pesanteur
Dans le cas particulier de la force de pesanteur, cette dernière est toujours verticale. On remarque que le travail ne dépend pas du chemin emprunté, mais uniquement de la différence de hauteur entre les points de départ et d'arrivée.
De manière générale, on peut faire le lien avec l'énergie potentielle de pesanteur déjà vue avant.
\[ W = F_{//} \cdot d = F \cdot \cos \alpha \cdot d = m \cdot g \cdot (h_A - h_B) = - E_{\: énergie \: potentielle \: de \: pesanteur}\]